解决首波丢失时对系统的影响成为超声波系统运用关键

随着技术的发展，超声波测量在很多领域得到了运用，但是基本都会面临到这样一个问题，超声波检测时，由于各种干扰的存在导致首波丢失，测量的数据出现较大的误差，如何解决首波丢失时对系统的不良影响成为超声波系统运用的关键。

目前，无损伤检测成为行业检测的一个热点，超声波是频率高于20000赫兹的弹性波，人耳无法感受。能够在特定的方向上沿直线传播，具有良好的指向性，但是在传播的过程中，会发生衰减和散射，但是它的能量比普通声波大得多，超声波在固体中的传输损失很小，探测深度大，对人体无害，成本低，灵敏度高，速度快。

以超声波水表运用为例，使用超声波作为测量的方式，测量原理采用时差法，通过获取超声波在水中顺流和逆流的时间差来推算水的流速，从而积分计算出水流量。测量的方式通过使用超声波换能器，安装在水管的上游和下游，水管中心的反射片可以把发射的超声波折射出去，通过上游的超声波换能器来检测下游发射的超声波，下游的超声波换能器来检测上游发射的超声波，由于水流作用，顺流的超声波会比逆流的超声波早被检测到。测量的原理图如图1所示。

图1  超声波水表工作原理

超声波换能器检测到来自对面发射的超声波，检测得到多个波形中，我们需要获取首波，以第一个波到达的时间为检测的依据。同时对这个波的识别有着一定的条件，首先该波得达到触发电压，大于TriggerLevel电压才能被检测，需要大于LowLevel，检测时间结束是在波过零时检测结束。

所谓的首波丢失，主要有这么三种原因，第一种，由于水中存在干扰、杂质更或者气泡的存在，导致首波在规定的时间内没有到达，导致首波丢失；第二种，首波的首波电压大于了TriggerLevel，但是小于LowLevel，检测同样会失败；第三种，首波未达到TriggerLevel电压，但是第二个波达到，满足了检测的条件。针对这些情况，我们需要分析它的本质和造成的结果。

1. 首波超时分析

由于水中存在干扰、杂质更或者气泡的存在，导致首波在规定的时间内没有到达，导致首波丢失，在已知的管段中运行的时间，是可以提前计算出来，在不同的流速和温度下，时间差存在的一个范围，如果超时了，必然就超过了这个时间差的范围。那么这个时候就可以过滤掉这个错误的情况。下面以一个实例来说明计算的过程，以DN20的管段（如图2）为例，Lf=64mm，D=20mm，温度为20摄氏度下的声速参数参与计算，计算过程如图3所示。

图2  管段

图3  时差计算

如果存在杂质，比如气泡，超声波在空气和水中的传播速度存在较大的差异，超声波在空气中的传播速度为340m/s，在液体中的常规速度1500m/s左右，所以出现这样的杂质的时候，最后采集到的时间差就会增大，可能是正向增大，也可能直接为负数，原因是在传播过程中，不能确定是上游和下游中的哪一端检测到了杂质，所以，哪怕是正向的流动的液体在检测时，也可能得到负数的检测结果。这时候，我们就可以根据检测到的数据和我们理论上计算出来的时间差范围做一个比较，如果不符合计算的范围控制区间，可以直接滤除。

2. 首波电压过低检测第二波

首波未达到TriggerLevel电压，但是第二个波达到，满足了检测的条件，如图4所示，最后读取的检测的结果是第二个波的时间，在最终计算时间差的时候，时间差有两种结果，偏大和反向了，所以根据这个结果，也可以采用和上面相同的方法，通过设置与阈值，采用极值法滤除。

图4  第二波检测